Ветроэнергетика

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Энергия ветра»)
Перейти к: навигация, поиск

Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими.

Ветропарк в Эстонии

Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности Солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. В середине 2014 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 336 гигаватт[1]. В 2010 году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 430 тераватт-часов (2,5 % всей произведённой человечеством электрической энергии).[2][3] Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, на 2013 год в Дании с помощью ветрогенераторов производится 33 % всего электричества, в Португалии — 23 %; на 2011 год — в Ирландии — 14 %,[4], в Испании — 16 % и в Германии — 8 %.[5] В мае 2009 года 80 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе.[3]

Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако, сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии.[6][7][8] Для решения подобных проблем используется интеллектуальное управление распределением электроэнергии.

Ветрогенератор в сельской местности

История использования энергии ветра[править | править вики-текст]

Мельница со станиной
Ветряные мельницы в Ла Манче, Испания

Ветряные мельницы использовались для размола зерна в Персии уже в 200-м году до н. э. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в XIII веке принесены в Европу крестоносцами.[9]

«Мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись до середины XVI в. единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он ставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле» (К. Маркс. «Машины: применение природных сил и науки»).

Масса козловой мельницы была ограниченной в связи с тем, что её приходилось поворачивать вручную. Поэтому была ограниченной и её производительность. Усовершенствованные мельницы получили название шатровых.

В XVI веке в городах Европы начинают строить водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. Толедо — 1526 г., Глочестер — 1542 г., Лондон — 1582 г., Париж — 1608 г., и др. В Нидерландах многочисленные ветряные мельницы откачивали воду с земель, ограждённых дамбами. Отвоёванные у моря земли использовались в сельском хозяйстве. В засушливых областях Европы ветряные мельницы применялись для орошения полей.

Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в XIX веке в Дании. Там в 1890 году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908-му году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 метра и четырёхлопастные роторы диаметром 23 метра. Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 метров. К 1941 году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт.

В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги.

Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1980-х, когда в Калифорнии начали предоставляться налоговые льготы для производителей электроэнергии из ветра.[9]

В России[править | править вики-текст]

В середине 1920-х годов ЦАГИ разрабатывал ветро-электрические станции и ветряки для сельского хозяйства. Конструкция «крестьянского ветряка» могла быть изготовлена на месте из доступных материалов. Его мощность варьировалась от 3 л. с., 8 л. с. до 45 л. с. Такая установка могла освещать 150—200 дворов или приводить в действие мельницу. Для постоянства работы был предусмотрен гидравлический аккумулятор[10].

Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 млрд кВт⋅ч/год. Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд кВт⋅ч/год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями России.[11]

Энергетические ветровые зоны в России расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Нижней и Средней Волги и Дона, побережье Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтийского, Чёрного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале.

Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осенне-зимний период — период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле. Около 30 % экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14 % — в Северном экономическом районе, около 16 % — в Западной и Восточной Сибири.

Суммарная установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2009 год составляет 17-18 МВт.

Самая крупная ветроэлектростанция России (5,1 МВт) расположена в районе посёлка Куликово Зеленоградского района Калининградской области. Зеленоградская ВЭУ состоит из 21 установки датской компании SЕАS Energi Service A.S.

На Чукотке действует Анадырская ВЭС мощностью 2,5 МВт (10 ветроагрегатов по 250 кВт). Годовая выработка в 2011 году не превысила 0,2 млн кВт⋅ч.

В Республике Башкортостан действует ВЭС Тюпкильды мощностью 2,2 МВт, располагающаяся около одноимённой деревни Туймазинского района[11]. ВЭС состоит из четырёх ветроагрегатов немецкой фирмы Hanseatische AG типа ЕТ 550/41 мощностью по 550 кВт. Годовая выработка электроэнергии в 2008—2010 гг. не превышала 0,4 млн кВт⋅ч.

В Калмыкии в 20 км от Элисты размещена площадка Калмыцкой ВЭС планировавшейся мощностью в 22 МВт и годовой выработкой 53 млн кВт⋅ч, на 2006 год на площадке установлена одна установка «Радуга» мощностью 1 МВт и выработкой от 3 до 5 млн кВт⋅ч.

В Республике Коми вблизи Воркуты недостроена Заполярная ВДЭС мощностью 3 МВт. На 2006 действуют 6 установок по 250 кВт общей мощностью 1,5 МВт.

На острове Беринга Командорских островов действует ВЭС мощностью 1,2 МВт.

Успешным примером реализации возможностей ветряных установок в сложных климатических условиях является ветродизельная электростанция на мысе Сеть-Наволок Кольского полуострова мощностью до 0,1 МВт. В 17 километрах от неё в 2009 году начато обследование параметров будущей ВЭС работающей в комплексе с Кислогубской ПЭС.

Существуют проекты на разных стадиях проработки Ленинградской ВЭС 75 МВт Ленинградская область, Ейской ВЭС 72 МВт Краснодарский край, Калининградской морской ВЭС 50 МВт, Морской ВЭС 30 МВт Карелия, Приморской ВЭС 30 МВт Приморский край, Магаданской ВЭС 30 МВт Магаданская область, Чуйской ВЭС 24 МВт Республика Алтай, Усть-Камчатской ВДЭС 16 МВт Камчатская область, Новиковской ВДЭС 10 МВт Республика Коми, Дагестанской ВЭС 6 МВт Дагестан, Анапской ВЭС 5 МВт Краснодарский край, Новороссийской ВЭС 5 МВт Краснодарский край и Валаамской ВЭС 4 МВт Карелия.

Ветряной насос «Ромашка» производства СССР

Как пример реализации потенциала территорий Азовского моря можно указать Новоазовскую ВЭС, действующей на 2010 год мощностью в 21,8 МВт, установленную на украинском побережье Таганрогского залива.

В 20032005 годах в рамках РАО ЕЭС проведены эксперименты по созданию комплексов на базе ветрогенераторов и двигателей внутреннего сгорания, по программе в посёлке Тикси установлен один агрегат. Все проекты начатые в РАО, связанные с ветроэнергетикой переданы компании РусГидро. В конце 2008 года РусГидро начала поиск перспективных площадок для строительства ветряных электростанций[12].

Предпринимались попытки серийного выпуска ветроэнергетических установок для индивидуальных потребителей, например водоподъёмный агрегат «Ромашка».

В последние годы увеличение мощностей происходит в основном за счет маломощных индивидуальных энергосистем, объём реализации которых составляет 250 ветроэнергетических установок (мощностью от 1 кВт до 5 кВт).

Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра[править | править вики-текст]

Мощность ветрогенератора зависит от площади, ометаемой лопастями генератора, и высоты над поверхностью. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров.

Воздушные потоки у поверхности земли/моря являются ламинарными — нижележащие слои тормозят расположенные выше. Этот эффект заметен до высоты 1 км, но резко снижается уже на высотах больше 100 метров.[13] Высота расположения генератора выше этого пограничного слоя одновременно позволяет увеличить диаметр лопастей и освобождает площади на земле для другой деятельности. Современные генераторы (2010 год) уже вышли на этот рубеж, и их количество резко растёт в мире.[14] Ветрогенератор начинает производить ток при ветре 3 м/с и отключается при ветре более 25 м/с. Максимальная мощность достигается при ветре 15 м/с. Отдаваемая мощность пропорциональна третьей степени скорости ветра: при увеличении ветра вдвое, от 5 м/с до 10 м/с, мощность увеличивается в восемь раз.[15]

Мощности ветрогенераторов и их размеры
Параметр 1 МВт 2 МВт 2,3 МВт
Высота мачты 50 м — 60 м 80 м 80 м
Длина лопасти 26 м 37 м 40 м
Диаметр ротора 54 м 76 м 82,4 м
Вес ротора на оси 25 т 52 т 52 т
Полный вес машинного отделения 40 т 82 т 82,5 т
Источник: Параметры действующих ветрогенераторов. Пори, Финляндия

В августе 2002 года компания Enercon построила прототип ветрогенератора E-112 мощностью 4,5 МВт. До декабря 2004 года турбина оставалась крупнейшей в мире. В декабре 2004 года германская компания REpower Systems построила свой ветрогенератор мощностью 5,0 МВт. Диаметр ротора этой турбины 126 метров, масса гондолы — 200 тонн, высота башни — 120 м. В конце 2005 года Enercon увеличил мощность своего ветрогенератора до 6,0 МВт. Диаметр ротора составил 114 метров, высота башни 124 метра. Компания Clipper Windpower разрабатывает ветрогенератор мощностью 10,0 МВт для офшорного применения[16]. В 2009 году турбины класса 1,5 — 2,5 МВт занимали 82 % в мировой ветроэнегетике[17].

Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где ещё встречаются и двухлопастные. Наиболее эффективной конструкцией для территорий с малой скоростью ветровых потоков признаны ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, т. н. роторные, или карусельного типа. Сейчас все больше производителей переходят на производство таких установок, так как далеко не все потребители живут на побережьях, а скорость континентальных ветров обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с. В таком ветрорежиме эффективность вертикальной установки намного выше. Стоит отметить, что у вертикальных ветрогенераторов есть ещё несколько существенных преимуществ: они практически бесшумны, и не требуют совершенно никакого обслуживания, при сроке службы более 20 лет. Системы торможения, разработанные в последние годы, гарантируют стабильную работу даже при периодических шквальных порывах до 60 м/с.

Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. Но стоимость инвестиций по сравнению с сушей выше в 1,5 — 2 раза. В море, на расстоянии 10—12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров.

Могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания. Первый прототип плавающей ветряной турбины построен компанией H Technologies BV в декабре 2007 года. Ветрогенератор мощностью 80 кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров.

5 июня 2009 года компании Siemens AG и норвежская Statoil объявили об установке первой в мире коммерческой плавающей ветроэнергетической турбины мощностью 2,3 МВт, производства Siemens Renewable Energy.[18]

Статистика по использованию энергии ветра[править | править вики-текст]

На июнь 2014 года суммарные установленные мощности всех ветрогенераторов мира составили 336 ГВт. Среднее увеличение суммы мощностей всех ветрогенераторов в мире, начиная с 2009 года, составляет 38-40 гигаватт за год и обусловлено бурным развитием ветроэнергетики в США, Индии, КНР и ФРГ[19].

Во всём мире в 2008 году в индустрии ветроэнергетики были заняты более 400 тысяч человек. В 2008 году мировой рынок оборудования для ветроэнергетики вырос до 36,5 миллиардов евро, или около 46,8 миллиардов американских долларов[20][21].

В 2010 году в Европе было сконцентрировано 44 % установленных ветряных электростанций, в Азии — 31 %, в Северной Америке — 22 %.

Монтаж турбины в Германии

Таблица: Суммарные установленные мощности, МВт, по странам мира 2005—2011 г. Данные Европейской ассоциации ветроэнергетики[22] и GWEC[23].[24]

Страна 2005 г., МВт. 2006 г., МВт. 2007 г., МВт. 2008 г. МВт. 2009 г. МВт. 2010 г. МВт. 2011 г. МВт. 2013 г. МВт
Китай 1260 2405 6050 12210 25104 41800 62733 91424
США 9149 11603 16818 25170 35159 40200 46919 61091
Германия 18428 20622 22247 23903 25777 27214 29060 34250
Испания 10028 11615 15145 16754 19149 20676 21674 22959
Индия 4430 6270 7580 9645 10833 13064 16084 20150
Великобритания 1353 1962 2389 3241 4051 5203 6540 10531
Италия 1718 2123 2726 3736 4850 5797 6737 8552
Франция 757 1567 2454 3404 4492 5660 6800 8254
Канада 683 1451 1846 2369 3319 4008 5265 7803
Дания 3122 3136 3125 3180 3482 3752 3871 4772
Португалия 1022 1716 2150 2862 3535 3702 4083 4724
Швеция 510 571 788 1021 1560 2163 2907 4470
Бразилия 29 237 247,1 341 606 932 1509 3456
Польша 73 153 276 472 725 1107 1616 3390
Австралия 579 817 817,3 1306 1668 2020 2224 3239
Турция 20,1 50 146 433 801 1329 1799 2959
Нидерланды 1224 1558 1746 2225 2229 2237 2328 2693
Япония 1040 1394 1538 1880 2056 2304 2501 2661
Румыния 2600
Ирландия 496 746 805 1002 1260 1748 1631 2037
Мексика 1992
Греция 573 746 871 985 1087 1208 1629 1865
Австрия 819 965 982 995 995 1011 1084 1684
Бельгия 167,4 194 287 384 563 911 1078
Новая Зеландия 623
Тайвань 614
Болгария 14 36 70 120 177 375 612
Южная Корея 561
Египет 550
Норвегия 270 325 333 428 431 441 520
Чили 335
Венгрия 17,5 61 65 127 201 329 329
Таиланд 223
Аргентина 218
Чехия 29,5 54 116 150 192 215 217
Финляндия 82 86 110 140 146 197 197
Эстония 33 32 58 78 142 149 184
Литва 7 48 50 54 91 154 179
Украина 77,3 86 89 90 94 87 151
Россия 14 15,5 16,5 16,5 14 15,4

Таблица: Суммарные установленные мощности, МВт по данным WWEA.

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
7475 9663 13696 18039 24320 31164 39290 47686 59004 73904 93849 120791 157000 196630 237227 282400

В 2013 году 33 % электроэнергии в Дании вырабатывалось из энергии ветра.

В 2013 году ветряные электростанции Германии произвели 8,4 % от всей произведённой в Германии электроэнергии.

В 2009 году в Китае ветряные электростанции вырабатывали около 1,3 % электроэнергии в стране. В КНР с 2006 года действует закон о возобновляемых источниках энергии. Предполагается, что к 2020 году мощности ветроэнергетики достигнут 80-100 ГВт.[25]

28 октября 2013 ветрогенераторы Дании произвели 122 процента электричества потребляемого[26]. Португалия и Испания в некоторые дни 2007 года из энергии ветра выработали около 20 % электроэнергии[27]. 22 марта 2008 года в Испании из энергии ветра было выработано 40,8 % всей электроэнергии страны[28].

Перспективы[править | править вики-текст]

Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты.

Мощность высотных потоков ветра (на высотах 7-14 км) примерно в 10-15 раз выше, чем у приземных. Эти потоки обладают постоянством, почти не меняясь в течение года. Возможно использование потоков, расположенных даже над густонаселёнными территориями (например — городами), без ущерба для хозяйственной деятельности.

Германия планирует к 2020 году производить 19,6 % электроэнергии из возобновляемых источников энергии, в основном из ветра.[29]

Дания планирует к 2020 г. 50 % потребности страны в электроэнергии обеспечивать за счет ветроэнергетики[30].

В 2008 году Европейским Союзом установлена цель: к 2010 году установить ветрогенераторов на 40 тыс. МВт, а к 2020 году — 180 тыс. МВт. Согласно планам Евросоюза общее количество электрической энергии, которые выработают ветряные электростанции, составит 494,7 Тв-ч.[29][31].

В Китае принят Национальный План Развития. Планируется, что установленные мощности Китая должны вырасти до 5 тыс. МВт к 2010 году и до 30 тыс. МВт к 2020 году[32]. Однако бурное развитие ветроэнергетического сектора позволило Китаю превысить порог в 30 Гвт установленной мощности уже в 2010 году.[33]

Индия к 2012 году увеличит свои ветряные мощности в 2 раза в сравнении с 2008 годом. К 2012 году будет построено новых ветряных электростанций на 6 тысяч МВт.[34]

Венесуэла за 5 лет с 2010 года планирует построить ветряных электростанций на 1500 МВт.[35].

Франция планирует к 2020 году построить ветряных электростанций на 25 000 МВт, из них 6 000 МВт — офшорных[36].

Экономические аспекты ветроэнергетики[править | править вики-текст]

Лопасти ветрогенератора на строительной площадке.

Основная часть стоимости ветроэнергии определяется первоначальными расходами на строительство сооружений ВЭУ (стоимость 1 кВт установленной мощности ВЭУ ~$1000).

Экономия топлива[править | править вики-текст]

Ветряные генераторы в процессе эксплуатации не потребляют ископаемого топлива. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет позволяет сэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти.

Себестоимость электроэнергии[править | править вики-текст]

Себестоимость электричества, производимого ветрогенераторами, зависит от скорости ветра[37].

Скорость ветра Себестоимость (для США, 2004 год)
7,16 м/c 4,8 цента/кВт·ч;
8,08 м/с 3,6 цента/кВт·ч;
9,32 м/с 2,6 цента/кВт·ч.

Для сравнения: себестоимость электричества, производимого на угольных электростанциях США, 4,5 — 6 цента/кВт·ч. Средняя стоимость электричества в Китае 4 цента/кВт·ч.

При удвоении установленных мощностей ветрогенерации себестоимость производимого электричества падает на 15 %. Ожидается, что себестоимость ещё снизится на 35—40 % к концу 2006 г. В начале 80-х годов стоимость ветряного электричества в США составляла $0,38.

В марте 2006 года Earth Policy Institute (США) сообщил о том, что в двух районах США стоимость ветряной электроэнергии стала ниже стоимости традиционной энергии. Осенью 2005 года из-за роста цен на природный газ и уголь стоимость ветряного электричества стала ниже стоимости электроэнергии, произведённой из традиционных источников. Компании Austin Energy из Техаса и Xcel Energy из Колорадо первыми начали продавать электроэнергию, производимую из ветра, дешевле, чем электроэнергию, производимую из традиционных источников.

Экономика ветроэнергетики в России[править | править вики-текст]

Солнечный ветрогенератор для уличного освещения

В большинстве регионов России среднегодовая скорость ветра не превышает 5 м/с[источник не указан 850 дней], в связи с чем привычные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения практически не применимы — их стартовая скорость начинается с 3-6 м/с, и получить от их работы существенное количество энергии не удастся. Однако на сегодняшний день все больше производителей ветрогенераторов предлагают т. н. роторные установки, или ветрогенераторы с вертикальной осью вращения. Принципиальное отличие состоит в том, что вертикальному генератору достаточно 1 м/с чтобы начать вырабатывать электричество. Развитие этого направления снимает ограничения по использованию энергии ветра в целях электроснабжения. Наиболее прогрессивная технология — сочетание в одном устройстве генераторов двух видов — вертикального ветрогенератора и солнечных батарей. Дополняя друг друга, совместно они гарантируют производство достаточного количества электроэнергии на любых территориях и в любых климатических условиях. Достаточных, например, для уличного освещения или питания объектов инженерно-технической инфраструктуры (базовые станции сотовой связи[источник не указан 791 день], пункты наблюдения, погодные и метеостанции и так далее).

Другие экономические проблемы[править | править вики-текст]

Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра — фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезах. Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородности нагрузки (пики и провалы энергопотребления), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует её дестабилизации. Понятно, что ветроэнергетика требует резерва мощности в энергосистеме (например, в виде газотурбинных электростанций), а также механизмов сглаживания неоднородности их выработки (в виде ГЭС или ГАЭС). Данная особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемую от них электроэнергию. Энергосистемы с большой неохотой подключают ветрогенераторы к энергосетям, что привело к появлению законодательных актов, обязующих их это делать.

Проблемы в сетях и диспетчеризации энергосистем из-за нестабильности работы ветрогенераторов начинаются после достижения ими доли в 20-25 % от общей установленной мощности системы. Для России это будет показатель, близкий к 50 тыс. — 55 тыс. МВт.

По данным испанских компаний «Gamesa Eolica» и «WinWind» точность прогнозов выдачи энергии ветростанций при почасовом планировании на рынке «на день вперёд» или спотовом режиме превышает 95 %.

Небольшие единичные ветроустановки могут иметь проблемы с сетевой инфраструктурой, поскольку стоимость линии электропередачи и распределительного устройства для подключения к энергосистеме могут оказаться слишком большими. Проблема частично решается, если ветроустановка подключается к местной сети, где есть энергопотребители. В этом случае используется существующее силовое и распределительное оборудование, а ВЭС создаёт некоторый подпор мощности, снижая мощность, потребляемую местной сетью извне. Трансформаторная подстанция и внешняя линия электропередачи оказываются менее нагруженными, хотя общее потребление мощности может быть выше.

Крупные ветроустановки испытывают значительные проблемы с ремонтом, поскольку замена крупной детали (лопасти, ротора и т. п.) на высоте более 100 метров является сложным и дорогостоящим мероприятием.

Экономика малой ветроэнергетики[править | править вики-текст]

В России считается, что применение ветрогенераторов в быту для обеспечения электричеством малоцелесообразно из-за:

  • Высокой стоимости инвертора ~ 50 % стоимости всей установки (применяется для преобразования переменного или постоянного тока получаемого от ветрогенератора в ~ 220В 50Гц (и синхронизации его по фазе с внешней сетью при работе генератора в параллель))
  • Высокой стоимости аккумуляторных батарей — около 25 % стоимости установки (используются в качестве источника бесперебойного питания при отсутствии или пропадании внешней сети)
  • Для обеспечения надёжного электроснабжения к такой установке иногда добавляют дизель-генератор, сравнимый по стоимости со всей установкой.

В настоящее время, несмотря на рост цен на энергоносители, себестоимость электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительной величины у основной массы производств по сравнению с другими затратами; ключевыми для потребителя остаются надёжность и стабильность электроснабжения.

Основными факторами, приводящими к удорожанию энергии, получаемой от ветрогенераторов, являются:

  • Необходимость получения электроэнергии промышленного качества ~ 220В 50 Гц (требуется применение инвертора)
  • Необходимость автономной работы в течение некоторого времени (требуется применение аккумуляторов)
  • Необходимость длительной бесперебойной работы потребителей (требуется применение дизель-генератора)

В настоящее время наиболее экономически целесообразно получение с помощью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощью ТЭНов в тепло, для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ:

  • Отопление является основным энергопотребителем любого дома в России.
  • Схема ветрогенератора и управляющей автоматики кардинально упрощается.
  • Схема автоматики может быть в самом простом случае построена на нескольких тепловых реле.
  • В качестве аккумулятора энергии можно использовать обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения.
  • Потребление тепла не так требовательно к качеству и бесперебойности: температуру воздуха в помещении можно поддерживать в широких диапазонах 19—25 °C, а в бойлерах горячего водоснабжения 40—97 °C без ущерба для потребителей.

Экологические аспекты ветроэнергетики[править | править вики-текст]

Выбросы в атмосферу[править | править вики-текст]

Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 тонн СО2, 9 тонн SO2, 4 тонн оксидов азота[38].

По оценкам Global Wind Energy Council к 2050 году мировая ветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО2 на 1,5 миллиарда тонн[39].

Влияние на климат[править | править вики-текст]

Ветрогенераторы изымают часть кинетической энергии движущихся воздушных масс, что приводит к снижению скорости их движения. При массовом использовании ветряков (например, в Европе) это замедление теоретически может оказывать заметное влияние на локальные (и даже глобальные) климатические условия местности. В частности, снижение средней скорости ветров способно сделать климат региона чуть более континентальным за счет того, что медленно движущиеся воздушные массы успевают сильнее нагреться летом и охлаждаться зимой. Также отбор энергии у ветра может способствовать изменению влажностного режима прилегающей территории. Впрочем, учёные пока только разворачивают исследования в этой области, научные работы, анализирующие эти аспекты, не дают количественную оценку воздействия широкомасштабной ветряной энергетики на климат, однако позволяют заключить, что оно может быть не столь пренебрежимо малым, как полагали ранее[40][41].

Согласно моделированию Стэндфордского университета, большие оффшорные ветроэлектростанции могут существенно ослабить ураганы, уменьшая экономический ущерб от их воздействия[42].

Шум[править | править вики-текст]

Ветряные энергетические установки производят две разновидности шума:

  • механический шум — шум от работы механических и электрических компонентов (для современных ветроустановок практически отсутствует, но является значительным в ветроустановках старших моделей)
  • аэродинамический шум — шум от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки (усиливается при прохождении лопасти мимо башни ветроустановки)

В настоящее время при определении уровня шума от ветроустановок пользуются только расчётными методами. Метод непосредственных измерений уровня шума не даёт информации о шумности ветроустановки, так как эффективное отделение шума ветроустановки от шума ветра в данный момент невозможно.

Источник шума Уровень шума, дБ
Болевой порог человеческого слуха 120
Шум турбин реактивного двигателя на удалении 250 м 105
Шум от отбойного молотка в 7 м 95
Шум от грузовика при скорости движения 48 км/ч на удалении в 100 м 65
Шумовой фон в офисе 60
Шум от легковой автомашины при скорости 64 км/ч 55
Шум от ветрогенератора в 350 м 35—45
Шумовой фон ночью в деревне 20—40

В непосредственной близости от ветрогенератора у оси ветроколеса уровень шума достаточно крупной ветроустановки может превышать 100 дБ.

Примером подобных конструктивных просчётов является ветрогенератор Гровиан. Из-за высокого уровня шума установка проработала около 100 часов и была демонтирована.

Законы, принятые в Великобритании, Германии, Нидерландах и Дании, ограничивают уровень шума от работающей ветряной энергетической установки до 45 дБ в дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от установки до жилых домов — 300 м.

Низкочастотные вибрации[править | править вики-текст]

Низкочастотные колебания, передающиеся через почву, вызывают ощутимый дребезг стекол в домах на расстоянии до 60 м от ветроустановок мегаваттного класса.[43]

Как правило, жилые дома располагаются на расстоянии не менее 300 м от ветроустановок. На таком расстоянии вклад ветроустановки в инфразвуковые колебания уже не может быть выделен из фоновых колебаний.

Обледенение лопастей[править | править вики-текст]

При эксплуатации ветроустановок в зимний период при высокой влажности воздуха возможно образование ледяных наростов на лопастях. При пуске ветроустановки возможен разлёт льда на значительное расстояние. Как правило, на территории, на которой возможны случаи обледенения лопастей, устанавливаются предупредительные знаки на расстоянии 150 м от ветроустановки.[44]

Кроме того, в случае легкого обледенения лопастей были отмечены случаи улучшения аэродинамических характеристик профиля.

Визуальное воздействие[править | править вики-текст]

Визуальное воздействие ветрогенераторов — субъективный фактор. Для улучшения эстетического вида ветряных установок во многих крупных фирмах работают профессиональные дизайнеры. Ландшафтные архитекторы привлекаются для визуального обоснования новых проектов.

В обзоре, выполненном датской фирмой AKF, стоимость воздействия шума и визуального восприятия от ветрогенераторов оценена менее 0,0012 евро на 1 кВт·ч. Обзор базировался на интервью, взятых у 342 человек, живущих поблизости от ветряных ферм. Жителей спрашивали, сколько они заплатили бы за то, чтобы избавиться от соседства с ветрогенераторами.

Использование земли[править | править вики-текст]

Турбины занимают только 1 % от всей территории ветряной фермы. На 99 % площади фермы возможно заниматься сельским хозяйством или другой деятельностью[45], что и происходит в таких густонаселённых странах, как Дания, Нидерланды, Германия. Фундамент ветроустановки, занимающий место около 10 м в диаметре, обычно полностью находится под землёй, позволяя расширить сельскохозяйственное использование земли практически до самого основания башни. Земля сдаётся в аренду, что позволяет фермерам получать дополнительный доход. В США стоимость аренды земли под одной турбиной составляет $3000-$5000 в год.

Источник энергии Удельный показатель площади земельного участка,
требующейся для производства 1 млн кВт·ч за 30 лет (м²)
Геотермальный источник 404
Ветер 800—1335
Фотоэлектрический элемент 364
Солнечный нагревательный элемент 3561
Уголь 3642

Таблица: Удельная потребность в площади земельного участка для производства 1 млн кВт·ч электроэнергии

Вред, наносимый животным и птицам[править | править вики-текст]

Причины гибели птиц (из расчёта на 10 000) штук
Дома/ окна 5500
Кошки 1000
Другие причины 1000
ЛЭП 800
Механизмы 700
Пестициды 700
Телебашни 250
Ветряные турбины Менее 1

Таблица: Вред, наносимый животным и птицам. Данные AWEA[46].

Популяции летучих мышей, живущие рядом с ВЭС на порядок более уязвимы, нежели популяции птиц. Возле концов лопастей ветрогенератора образуется область пониженного давления, и млекопитающее, попавшее в неё, получает баротравму. Более 90 % летучих мышей, найденных рядом с ветряками обнаруживают признаки внутреннего кровоизлияния. По объяснениям учёных, птицы имеют иное строение лёгких, а потому менее восприимчивы к резким перепадам давления и страдают только от непосредственного столкновения с лопастями ветряков[47].

Использование водных ресурсов[править | править вики-текст]

В отличие от традиционных тепловых электростанций, ветряные электростанции не используют воду, что позволяет существенно снизить нагрузку на водные ресурсы.

Радиопомехи[править | править вики-текст]

Металлические сооружения ветроустановки, особенно элементы в лопастях, могут вызвать значительные помехи в приёме радиосигнала[48]. Чем крупнее ветроустановка, тем большие помехи она может создавать. В ряде случаев для решения проблемы приходится устанавливать дополнительные ретрансляторы.

См. также[править | править вики-текст]

Источники[править | править вики-текст]

  1. Global Wind Power Capacity Increased 19 Percent in 2012
  2. World Wind Energy Report 2010 (PDF). Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
  3. 1 2 Wind Power Increase in 2008 Exceeds 10-year Average Growth Rate. Worldwatch.org. Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
  4. Renewables. eirgrid.com. Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
  5. «Wind Energy Update» (PDF). Wind Engineering: 191–200.
  6. Impact of Wind Power Generation in Ireland on the Operation of Conventional Plant and the Economic Implications. eirgrid.com (February 2004). Проверено 22 ноября 2010. Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
  7. "Design and Operation of Power Systems with Large Amounts of Wind Power", IEA Wind Summary Paper (PDF). Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
  8. Claverton-Energy.com (28 августа 2009). Проверено 29 августа 2010. Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
  9. 1 2 Alan Wyatt, Electric Power: Challenges and Choices, (1986), Book Press Ltd., Toronto, ISBN 0-920650-00-7,
  10. Использование энергии ветра в СССР // Бурят-Монгольская правда. № 109 (782) 18 мая 1926 года. стр. 7
  11. 1 2 Энергетический портал. Вопросы производства, сохранения и переработки энергии
  12. http://www.riarealty.ru/ru/article/34636.html «РусГидро» определяет перспективные площадки в РФ для строительства ветроэлектростанций
  13. http://www.tuuliatlas.fi/tuulisuus/tuulisuus_4.html Пограничный слой в атмосфере
  14. http://www.tuuliatlas.fi/tuulivoima/index.html Размеры генераторов по годам
  15. http://www.hyotytuuli.fi/index.php?page=617d54bf53ca71f7983067d430c49b7 Параметры действующих ветрогенераторов. Пори, Финляндия
  16. Clipper Windpower Announces Groundbreaking for Offshore Wind Blade Factory
  17. Edward Milford BTM Wind Market Report 20 Июль 2010 г.
  18. Jorn Madslien. Floating wind turbine launched, BBC NEWS, London: BBC, стр. 5 June 2009. Проверено 20 декабря 2014.
  19. Annual installed global capacity 1996—2011
  20. US and China in race to the top of global wind industry
  21. http://web.archive.org/web/20100215003032/http://www.gwec.net/fileadmin/documents/PressReleases/PR_2010/Annex%20stats%20PR%202009.pdf
  22. «Wind in power. 2011 European statistics»
  23. «Global Wind Statistics 2011»
  24. http://www.gwec.net/wp-content/uploads/2014/02/GWEC-PRstats-2013_EN.pdf Global Wind Statistics 2013
  25. БИКИ, 25.07.09г., «На рынке ветроэнергетического оборудования КНР»
  26. http://www.greentechmedia.com/articles/read/postcard-from-the-grids-future-record-breaking-wind-integration-in-denmark
  27. Wind power — clean and reliable
  28. Испания получила рекордную долю электричества от ветра
  29. 1 2 [tt_news=1892&tx_ttnews[backPid]=1&cHash=05ee83819c7f18864985e61c3fd26342 EU will exceed renewable energy goal of 20 percent by 2020] (англ.). Проверено 21 января 2011.
  30. Denmark aims to get 50 % of all electricity from wind power
  31. EWEA: 180 GW of Wind Power Possible in Europe by 2020 | Renewable Energy World
  32. Lema, Adrian and Kristian Ruby, «Between fragmented authoritarianism and policy coordination: Creating a Chinese market for wind energy», Energy Policy, Vol. 35, Isue 7, July 2007
  33. China’s Galloping Wind Market (англ.). Проверено 21 января 2011.
  34. India to add 6,000 MW wind power by 2012 (англ.). Проверено 21 января 2011. Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
  35. Venezuela, Dominican Republic Step into Wind 9 Сентябрь 2010 г.
  36. John Blau France Could Be Next Offshore Wind Powerhouse 26 Январь 2011 г.
  37. American Wind Energy Association. The Economics of Wind Energy
  38. Wind Energy and Wildlife: The Three C’s
  39. Wind Energy Could Reduce CO2 Emissions 10B Tons by 2020
  40. D.W.Keith,J.F.DeCarolis,D.C.Denkenberger,D.H.Lenschow,S.L.Malyshev,S.Pacala,P.J.Rasch The influence of large-scale wind power on global climate (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2004. — В. 46.
  41. Dr.Yang(Missouri Western State University) A Conceptual Study of Negative Impact of Wind Farms to the Environment (англ.) // The Technology Interface Journal. — 2009. — В. 1.
  42. http://news.stanford.edu/news/2014/february/hurricane-winds-turbine-022614.html
  43. http://web.archive.org/web/20071012073209/http://www.canwea.ca/images/uploads/File/CanWEA_Wind_Turbine_Sound_Study_-_Final.pdf
  44. Wind Energy in Cold Climates
  45. Wind energy Frequently Asked Questions
  46. Энергия ветра: мифы против фактов
  47. MEMBRANA | Мировые новости | Ветровые турбины убивают летучих мышей без единого прикосновения
  48. Устаревшие РЛС тормозят развитие ветровой энергетики 06 сентября 2010 года

Литература[править | править вики-текст]

  • Д. де Рензо, В. В. Зубарев Ветроэнергетика. Москва. Энергоатомиздат, 1982
  • Е. М. Фатеев Вопросы ветроэнергетики. Сборник статей. Издательство АН СССР, 1959

Ссылки[править | править вики-текст]